Técnicas de inteligência artificial aplicadas na análise de mercados elétricos com inserção de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência.

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE. Técnicas de inteligência artificial aplicadas na análise de mercados elétricos com inserção de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência. FELIPE OLIVEIRA SILVA SARAIVA. São Luís – MA, Brasil Fevereiro, 2017.

(2) FELIPE OLIVEIRA SILVA SARAIVA. Técnicas de inteligência artificial aplicadas na análise de mercados elétricos com inserção de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência. Dissertação de Mestrado submetida à Coordenação do Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Eletricidade da Universidade Federal do Maranhão (UFMA) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica na área de concentração de Sistemas de Energia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Vicente Leonardo Paucar Casas. São Luís – MA, Brasil Fevereiro, 2017 i.

(3) Ficha gerada por meio do SIGAA/Biblioteca com dados fornecidos pelo(a) autor(a). Núcleo Integrado de Bibliotecas/UFMA. Saraiva, Felipe Oliveira Silva. Técnicas de inteligência artificial aplicadas na análise de mercados elétricos com inserção de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência / Felipe Oliveira Silva Saraiva. 2017. 171 f. Orientador(a): Vicente Leonardo Paucar Casas. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós-graduação em Engenharia de Eletricidade/ccet, Universidade Federal do Maranhão, São Luís - Maranhão, 2017. 1. Geração eólica. 2. Preços marginais locacionais. 3. Sistemas de armazenamento de energia. 4. Sistemas elétricos de potência. 5. Técnicas de inteligência artificial. I. Paucar Casas, Vicente Leonardo. II. Título.. ii.

(4) Técnicas de inteligência artificial aplicadas na análise de mercados elétricos com inserção de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência. FELIPE OLIVEIRA SILVA SARAIVA. Dissertação de Mestrado aprovada em 17 de Fevereiro de 2017. Prof. Dr. Vicente Leonardo Paucar Casas, UFMA (Orientador). Prof. Dr. Ubiratan Holanda Bezerra, UFPA (Membro da banca examinadora). Prof. Dr. Lindomar Jacinto de Souza, IFMA (Membro da banca examinadora). Prof. Dr. José Eduardo Onoda Pessanha, UFMA (Membro da banca examinadora). iii.

(5) Dedico este trabalho aos meus pais, Norberto Germano Saraiva da Silva e Alcina Oliveira Silva, bem como aos demais familiares e amigos, pelo estímulo, suporte incondicional e amparo irrestrito nos momentos mais imprescindíveis da elaboração deste trabalho e da minha vida.. iv.

(6) Agradecimentos A Deus, em virtude de todo o amor, do alicerce espiritual e das bênçãos concedidas ao longo de toda a minha trajetória acadêmica. Aos meus pais, pelo amor incondicional, provisão material e suporte afetivo, bem como pelas inestimáveis oportunidades que me proporcionaram, sendo fundamentais para a minha formação moral e educacional. Aos meus familiares e amigos, pela integral disposição em prestar auxílio e apoio. Aos meus colegas de pós-graduação, pela cooperação, solidariedade e companheirismo prestados ao longo de todo o trajeto enveredado durante a elaboração deste trabalho. Ao professor Dr. Vicente Leonardo Paucar, pelas diretrizes e caminhos fornecidos durante a orientação, bem como pelo considerável suporte e dedicação indispensáveis à construção deste trabalho. A todos os professores do curso de Pós-Graduação em Engenharia de Eletricidade da UFMA, que, no exercício do magistério, forneceram apoio, promoveram, mesmo diante de inúmeros estorvos, a valorização da educação de maneira indubitável e transmitiram sabedoria, conhecimentos e ensinamentos essenciais para a minha formação acadêmica, profissional e pessoal.. v.

(7) “Num tempo de engano universal, dizer a verdade é um ato revolucionário.”. (George Orwell). vi.

(8) Resumo F. O. S. Saraiva, “Técnicas de inteligência artificial aplicadas na análise de mercados elétricos com inserção de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência,” Dissertação de Mestrado, Programa de PósGraduação em Engenharia de Eletricidade (PPGEE), Universidade Federal do Maranhão (UFMA), São Luís-MA, Brasil, 2017. Os preços marginais locacionais (LMPs – Locational Marginal Prices) consistem em diretrizes financeiras mercadologicamente indispensáveis para a indústria da eletricidade, os quais norteiam grande parte dos projetos e deliberações no âmbito dos mercados elétricos. No panorama vigente dos mercados elétricos, as plantas de geração eólica e os sistemas de armazenamento de energia vêm progressiva e ininterruptamente se revelando alternativas de suprimento de eletricidade cada vez mais relevantes e viáveis. Neste trabalho, é formulada uma metodologia genérica baseada em técnicas de inteligência artificial (IA) cuja aplicação tem o objetivo de computar e decompor os LMPs associados às barras constituintes de um sistema elétrico de potência (SEP) integrado por geradores convencionais, plantas de geração eólica e por sistemas de armazenamento de energia. Na metodologia IA proposta, o modelo de fluxo de potência ótimo (FPO) sobre o qual se alicerça o cômputo e a decomposição dos LMPs associados às barras de um SEP, leva em consideração a volatilidade inerente ao perfil comportamental dos ventos, os riscos associados à assunção de níveis previamente programados de potência proveniente da geração eólica e as peculiaridades operativas concernentes aos sistemas de armazenamento de energia. Adotando-se os modelos matemáticos e computacionais dos algoritmos de otimização por enxame de partículas (PSO – Particle Swarm Optimization), a metodologia IA proposta foi devidamente implementada e aplicada na aquisição e decomposição dos LMPs associados às barras constituintes de sistemas-testes submetidos a diferentes cenários operativos envolvendo centrais de geração convencionais, plantas de geração eólica e sistemas de armazenamento de energia. Palavras-chave: Preços marginais locacionais, técnicas de inteligência artificial, geração eólica, sistemas de armazenamento de energia, sistemas elétricos de potência.. vii.

(9) Abstract F. O. S. Saraiva, “Artificial intelligence techniques applied to the analysis of electrical markets with insertion of wind power and energy storage systems on power grids,” Master of Science Dissertation, Electrical Engineering Graduate Program (PPGEE), Federal University of Maranhão (UFMA), São Luís-MA, Brazil, 2017. The locational marginal prices (LMPs) are essential financial guidelines for the electricity industry, which orientates most of the projects and deliberations in electrical market environments. In current scenario of the electricity markets, wind power plants and energy storage systems have been revealing itself as feasible and relevant electrical energy supply alternatives. In this work a generic methodology based on artificial intelligence (AI) techniques is formulated and applied to the calculation and decomposition of LMPs of electric power systems (EPS) with the insertion of energy storage systems and wind farms. In the proposed AI-based methodology the optimal power flow (OPF) model, on which the calculation and decomposition of LMP is based, considers the wind behavior profile volatility, the risks of wind power levels previously scheduled, and the energy storage systems operative peculiarities. The proposed AI-based methodology takes into account the mathematical and computational models of the particle swarm optimization (PSO) algorithm. This proposal was properly implemented and applied for the computation and decomposition of LMPs of test systems and considering different operative scenarios involving conventional power plants, wind farms, and energy storage systems. Keywords: Locational marginal prices, artificial intelligence techniques, wind farms, energy storage systems, electric power systems.. viii.

(10) Lista de Figuras Página Figura 2.1: Modelo monopolista de mercados de eletricidade. No submodelo (a), a concessionária verticalmente integrada em sua plenitude. Já no submodelo (b), as atividades de distribuição são geridas por uma ou mais companhias desvinculadas [2]. .......................................................................................... 11 Figura 2.2: Modelo de mercado de eletricidade respaldado na agência de compra. O submodelo (a) ostenta integração. Já o submodelo (b) exibe um nível de desvinculação [2]. .......................................................................................... 12 Figura 2.3: Modelo de competição atacadista aplicado aos mercados de eletricidade [2]. . 13 Figura 2.4: Modelo de competição varejista aplicado aos mercados de eletricidade [2]..... 14 Figura 3.1: Esquema do fluxo de massa de ar através da seção transversal de um cilindro hipotético [7]. ................................................................................................ 26 Figura 3.2: Caracterização das diferentes condições de velocidade do vento ao perpassar uma série de pás [7]. ...................................................................................... 27 Figura 3.3: Comportamento do coeficiente de potência. para alguns valores de ângulo do. passo . ......................................................................................................... 31 Figura 3.4: Configuração com gerador síncrono [20]. ....................................................... 37 Figura 3.5: Configuração com gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo [20]. .. 38 Figura 3.6: Configuração com gerador de indução com rotor bobinado [20]. .................... 38 Figura 3.7: Configuração com gerador de indução em gaiola de esquilo com conversor de razão total [20]. .............................................................................................. 39 Figura 3.8: Configuração com gerador de indução com dupla alimentação empregando conversor de razão parcial [20]. ..................................................................... 40 Figura 3.9: Configuração com gerador magnético permanente com conversor de razão total, sendo que o emprego da caixa de engrenagens é opcional [20]. ............. 42 Figura 3.10: Configuração com gerador síncrono provido de enrolamento de campo com conversor de razão total [20]. ......................................................................... 42 Figura 5.1: Metodologia IA genérica empregada na determinação e na decomposição dos LMPs associados às barras de um SEP. .......................................................... 95 Figura 5.2: Bloco contendo o fluxograma referente à decomposição dos LMPs associados às barras de um SEP....................................................................................... 98 ix.

(11) Figura 5.3: Fluxograma da metodologia IA proposta cujos subproblemas são implementados com base em algoritmos PSO. ............................................... 99 Figura 5.4: Topologias para um enxame de partículas. (a) Topologia baseada no esquema de melhor global. (b) Topologia em anel. ..................................................... 101 Figura 5.5: Curvas dos coeficientes de aceleração ao longo do tempo baseados nas formulações original e modificada. .............................................................. 103 Figura 5.6: Diagrama unifilar do sistema-teste de três barras adotado no cenário proposto na subseção 5.3.1. ........................................................................................ 107 Figura 5.7: Diagrama unifilar do sistema-teste de três barras adotado no cenário proposto na subseção 5.3.2. ........................................................................................ 114 Figura 5.8: Histograma de distribuição de frequência da potência ativa de saída de um aerogerador constituinte do parque eólico em análise no cenário proposto na subseção 5.3.2. ............................................................................................. 118 Figura 5.9: Curvas dos custos de oportunidade e total concernentes à operação de um aerogerador constituinte do parque eólico em análise no cenário proposto na subseção 5.3.2. ............................................................................................. 119 Figura 5.10: Curva do custo total de geração referente ao parque eólico em análise no cenário proposto na subseção 5.3.2. ........................................................... 120 Figura 5.11: LMPs no instante. =. advindos de vinte execuções consecutivas do. algoritmo da metodologia proposta e os LMPs provenientes da execução do solver de FPO constituinte da toolbox MATPOWER do MATLAB. .......... 123 Figura 5.12: Histograma de distribuição de frequência da potência ativa de saída de um aerogerador constituinte do parque eólico em análise no cenário proposto na subseção 5.3.4. .......................................................................................... 127 Figura 5.13: Curvas dos custos de oportunidade e total concernentes à operação de um aerogerador constituinte do parque eólico em análise no cenário proposto na subseção 5.3.4. .......................................................................................... 128 Figura 5.14: Curva do custo total de geração referente ao parque eólico em análise no cenário proposto na subseção 5.3.4. ........................................................... 129 Figura A.1: Fluxograma da metodologia IA proposta cujos subproblemas são implementados com base em algoritmos ACO.............................................140. x.

(12) Lista de Tabelas Página Tabela 3.1: Exibição dos 10 maiores países em termos de capacidade eólica instalada em 2015 [16]. ...................................................................................................... 24 Tabela 3.2: Apresentação dos 10 maiores países em termos de instalação de nova capacidade eólica em 2015 [16] ..................................................................... 24 Tabela 3.3: Evolução da potência eólica instalada no Brasil entre 2005 e 2015 [16]. ........ 25 Tabela 3.4: Associação entre as configurações de geração e os esquemas de controles de potência existentes [20]. ................................................................................. 42 Tabela 4.1: Modelos de custo de produção de eletricidade associados a cada gênero de unidade de injeção de potência. ...................................................................... 75 Tabela 5.1: Especificação dos parâmetros dos ramos do sistema-teste. ........................... 108 Tabela 5.2: Coeficientes das funções de custo de produção, limites operativos das plantas de geração e fatores de participação das barras constituintes do sistema-teste do cenário proposto na subseção 5.3.1. ............................................................. 108 Tabela 5.3: Valores dos ângulos das tensões nas barras, das potências injetadas pelas plantas de geração e dos multiplicadores de Lagrange 𝝅 á𝒙 e 𝝅 í. instante. =. no. associados à solução ótima do FPO computada através da. metodologia IA proposta referente ao cenário da subseção 5.3.1. ................. 108 Tabela 5.4: Valores dos LMPs das barras do sistema-teste e de suas respectivas componentes no instante. =. associados à solução ótima do FPO computada. através da metodologia IA proposta concernente ao cenário da subseção 5.3.1. .................................................................................................................... 108 Tabela 5.5: Valores dos fluxos de potência ativa e dos multiplicadores de Lagrange instante. =. no. associados à solução ótima do FPO computada através da. metodologia IA proposta referente ao cenário da subseção 5.3.1. ................. 109 Tabela 5.6: Coeficientes das funções de custo de produção das unidades de injeção de potência e fatores de participação das barras constituintes do sistema-teste do cenário proposto na subseção 5.3.2. ............................................................. 115 Tabela 5.7: Limites operativos das unidades de injeção de potência constituintes do sistema-teste do cenário proposto na subseção 5.3.2. .................................... 115. xi.

(13) Tabela 5.8: Valores dos ângulos das tensões nas barras, dos níveis energéticos das unidades de injeção de potência, e das potências de carregamento e de descarregamento das referidas unidades de injeção de potência nos instantes = , e. associados à solução ótima do FPO computada através da. metodologia IA proposta concernente ao cenário da subseção 5.3.2. ............ 115 Tabela 5.9: Valores dos LMPs das barras do sistema-teste e de suas respectivas componentes nos instantes. = , e. associados à solução ótima do FPO. computada através da metodologia IA proposta concernente ao cenário da subseção 5.3.2. ............................................................................................. 116 Tabela 5.10: Valores dos fluxos de potência ativa e dos multiplicadores de Lagrange instantes. = , e. nos. associados à solução ótima do FPO computada através. da metodologia IA proposta referente ao cenário da subseção 5.3.2. .......... 116 Tabela 5.11: Valores, em $/. ℎ, dos LMPs no instante. =. e suas respectivas. componentes, bem como os valores das potências de saída das plantas de geração resultantes da execução do algoritmo da metodologia IA apresentada considerando diferentes estratégias de especificação dos fatores de participação das barras do sistema IEEE 30 sujeito ao cenário proposto na subseção 5.3.3. .......................................................................................... 124. Tabela 5.12: Valores máximos, mínimos e médios dos MSEs e MAPEs oriundos de vinte execuções consecutivas do algoritmo da metodologia IA proposta considerando o cenário apresentado na subseção 5.3.3. .............................. 124 Tabela 5.13: Valores, em $/. ℎ, dos LMPs no instante. =. associados às barras do. sistema IEEE 30 modificado e suas respectivas componentes resultantes da execução do algoritmo da metodologia IA apresentada considerando diferentes estratégias de especificação dos fatores de participação das barras de tal sistema sujeito ao cenário proposto na subseção 5.3.4. ..................... 131. Tabela 5.14: Valores, em $/. ℎ, dos LMPs no instante. =. associados às barras do. sistema IEEE 30 modificado e suas respectivas componentes resultantes da execução do algoritmo da metodologia IA apresentada considerando diferentes estratégias de especificação dos fatores de participação das barras de tal sistema sujeito ao cenário proposto na subseção 5.3.4. ..................... 132. Tabela 5.15: Valores das potências de carregamento, das potências de descarregamento e dos níveis energéticos das unidades de injeção de potência constituintes do xii.

(14) sistema IEEE modificado no instante. =. resultantes da execução do. algoritmo da metodologia IA apresentada considerando o cenário proposto na subseção 5.3.4. .......................................................................................... 132 Tabela 5.16: Valores das potências de carregamento, das potências de descarregamento e dos níveis energéticos das unidades de injeção de potência constituintes do sistema IEEE modificado no instante. =. resultantes da execução do. algoritmo da metodologia IA apresentada considerando o cenário proposto na subseção 5.3.4. .......................................................................................... 133 Tabela B.1: Dados dos ramos do sistema IEEE adotados nos cenários propostos nas subseções 5.3.3 e 5.3.4...................................................................................142 Tabela B.2: Dados da demanda do sistema IEEE 30 adotados nos cenários propostos nas subseções 5.3.3 e 5.3.4...................................................................................143 Tabela B.3: Coeficientes das funções de custo de produção das unidades de injeção de potência do sistema IEEE 30 adotados no cenário proposto na subseção 5.3.3. ........................................................................................................................144 Tabela B.4: Restrições operativas das unidades de injeção de potência do sistema IEEE 30 adotados no cenário proposto na subseção 5.3.3............................................144 Tabela B.5: Coeficientes das funções de custo de produção das unidades de injeção de potência do sistema IEEE 30 adotados no cenário proposto na subseção 5.3.4. ........................................................................................................................145 Tabela B.6: Restrições operativas das unidades de injeção de potência do sistema IEEE 30 adotados no cenário proposto na subseção 5.3.4............................................145. xiii.

(15) Lista de Abreviaturas ACO ANEEL. : Ant Colony Optimization : Agência Nacional de Energia Elétrica. APD. : Ajuste da Potência da Demanda. APG. : Ajuste da Potência da Geração. CA. : Corrente Alternada. CC. : Corrente Contínua. CD. : Companhia de Distribuição. CG. : Companhia de Geração. ERCOT FPO. : Electric Reliability Council of Texas : Fluxo de Potência Ótimo. FPOCA. : Fluxo de Potência Ótimo CA. FPOCC. : Fluxo de Potência Ótimo CC. FPOP. : Fluxo de Potência Ótimo Probabilístico. FTR. : Financial Transmission Right. GD. : Geração Distribuída. GIDA. : Gerador de Indução Duplamente Alimentado. GW. : Gigawatt. IA. : Inteligência Artificial. IEEE. : Institute of Electrical and Electronics Engineers. IGBT. : Insulated Gate Bipolar Transistor. K. : Kelvin. kg/m3. : Quilograma por metro cúbico. KKT. : Karush-Kuhn-Tucker. kV LMP m MAPE MATLAB. : Kilovolt : Locational Marginal Price : Metros : Mean Absolute Percentage Error : Matrix Laboratory. MISO. : Midwest Independent System Operator. MSE. : Mean Squared Error. MVA. : Megavolt-ampère xiv.

(16) MVAr. : Megavolt-ampère reativo. MW. : Megawatt. MWh. : Megawatt-hora. m2. : Metros quadrados. m3. : Metros cúbicos. m/s. : Metros por segundo. PIP. : Produtor Independente de Potência. PHS. : Pumped Hydro Storage. PSAT PSO PURPA. : Power Systems Analysis Toolbox : Particle Swarm Optimization : Public Uitlity Regulatory Policies Act. p.u.. : Por unidade. rad/s. : Radianos por segundo. rpm. : Rotações por minuto. RTO. : Regional Transmission Operator. RU. : Referência Única. W. : Watt. $/h. : Unidade monetária por hora. $/MWh. : Unidade monetária por megawatt-hora. $/MW2h. : Unidade monetária por megawatt ao quadrado hora. o. C. : Graus Celsius. xv.

(17) SUMÁRIO Página Capítulo 1 Introdução.............................................................................................................................. 1 1.1. Generalidades ...................................................................................................... 1. 1.2. Formulação do problema ..................................................................................... 2. 1.3. Objetivos ............................................................................................................. 3. 1.3.1. Objetivo geral ...................................................................................................... 3. 1.3.2. Objetivos específicos ........................................................................................... 3. 1.4. Justificativa.......................................................................................................... 3. 1.5. Metodologia......................................................................................................... 4. 1.6. Estrutura do trabalho ............................................................................................ 5. Capítulo 2 Mercados elétricos ................................................................................................................. 7 2.1. O setor elétrico .................................................................................................... 8. 2.2. Modelos de mercados elétricos .......................................................................... 10. 2.3. Reforma do setor elétrico ................................................................................... 15. 2.3.1. Desregulamentação ............................................................................................ 15. 2.3.2. Livre acesso às redes de transporte de energia elétrica........................................ 16. 2.3.3. Reestruturação organizacional ........................................................................... 17. Capítulo 3 Parques eólicos e sistemas de armazenamento de energia ..................................................... 18 3.1. Parques eólicos .................................................................................................. 18. 3.1.1. A energia eólica ................................................................................................. 20. 3.1.2. Potência extraída dos ventos .............................................................................. 25. 3.1.3. Principais componentes das plantas de geração eólica ........................................ 31. 3.2. Sistemas de armazenamento de energia .............................................................. 43 xvi.

(18) 3.2.1. Nichos de aplicação para os sistemas de armazenamento de energia .................. 44. 3.2.2. Categorias de sistemas de armazenamento de energia ........................................ 46. 3.2.2.1 Baterias.............................................................................................................. 46 3.2.2.2 Usinas hidrelétricas reversíveis .......................................................................... 51 3.2.2.3 Volantes de inércia ............................................................................................ 52 3.2.2.4 Sistemas de armazenamento de energia por ar comprimido ................................ 52 3.2.2.5 Supercapacitores ................................................................................................ 53 3.2.2.6 Supercondutores ................................................................................................ 54 3.2.2.7 Células a combustível ........................................................................................ 55 Capítulo 4 Preços marginais locacionais - LMPs ................................................................................... 57 4.1. Modelo de FPO com penetração de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia ................................................................................. 58. 4.1.1. Modelagem das restrições e dos custos associados à penetração dos sistemas de armazenamento de energia ................................................................................. 60. 4.1.2. Modelagem das restrições e dos custos associados à penetração da geração eólica ................................................................................................................. 68. 4.1.3. Formulação do modelo de FPO para o cálculo e decomposição dos LMPs de um SEP com inserção de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia ............................................................................................................... 77. 4.2. Cálculo e decomposição dos LMPs de um SEP através do modelo de FPO formulado .......................................................................................................... 80. 4.2.1. Análise de otimalidade do modelo de FPO formulado ........................................ 81. 4.2.2. Decomposição dos LMPs................................................................................... 84. Capítulo 5 Metodologia IA empregada no cálculo e na decomposição dos LMPs .................................. 88 5.1. Formulação da metodologia IA genérica empregada no cálculo e na decomposição dos LMPs ................................................................................... 91 xvii.

(19) 5.2. Modelo do algoritmo PSO incorporado à metodologia IA genérica proposta ...... 99. 5.3. Aplicação da metodologia IA genérica baseada em algoritmos PSO no cálculo e na decomposição dos LMPs de sistemas-testes .............................................. 105. 5.3.1. Sistema de três barras....................................................................................... 105. 5.3.2. Sistema de três barras com penetração de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia ............................................................................... 112. 5.3.3. Sistema IEEE 30 .............................................................................................. 120. 5.3.4. Sistema IEEE 30 com penetração de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia ............................................................................... 125. Capítulo 6 Conclusão .......................................................................................................................... 134 6.1. Conclusões ............................................................................................................. 134. 6.2. Trabalhos futuros.................................................................................................... 136. Apêndices .......................................................................................................................... 138 Apêndice A ................................................................................................................... 139 Apêndice B.................................................................................................................... 141 Referências ........................................................................................................................ 146. xviii.

(20) Capítulo 1. Introdução. 1.1. Generalidades Perante as inúmeras restrições, regulamentações e exigências advindas de diversas. instituições e setores da sociedade, que têm progressivamente se estabelecido como as mais imprescindíveis tônicas sobre as quais a condução dos estudos pertinentes ao planejamento e à implantação de sistemas elétricos de geração, transmissão e distribuição se respaldam, muitos países têm estabelecido ambiciosas metas de gradual inserção de fontes renováveis na composição de suas matrizes energéticas. Nesse panorama, as plantas de geração de energia elétrica através do potencial energético disponível nos ventos vêm progressiva e ininterruptamente se consolidando como uma das mais promissoras, viáveis e rentáveis alternativas de produção energética da atualidade. Ademais, estudos recentes constataram que o emprego de sistemas de armazenamento de energia pode compensar a natureza estocástica inerente às fontes energéticas renováveis intermitentes, como as que regem a operação das plantas de geração eólica. As sucessivas e distintas transições entre modelos competitivos mercadológicos, verificadas ao longo das últimas décadas na indústria de eletricidade de diversos países, no sentido da progressiva desregulamentação do setor elétrico, promoveram relevantes mudanças no arranjo organizacional da referida indústria, nas relações institucionais concernentes a tal setor e nas metodologias de precificação da energia elétrica. Nesse contexto, iniciou-se, com o desígnio de promover a eficiência econômica nos mercados elétricos, a incorporação dos artifícios provenientes da teoria da precificação spot, a qual foi concebida e formulada em [1]. Tal sinal econômico é majoritariamente referido na literatura associada aos mercados elétricos como preço marginal locacional (LMP – Locational Marginal Price). O LMP referente a uma determinada barra constituinte de um sistema elétrico de potência (SEP) designa o custo de produção de eletricidade necessário para suprir um incremento de uma unidade de demanda na referida barra de maneira menos onerosa possível por intermédio dos recursos disponíveis no sistema. Tal parâmetro 1.

(21) constitui uma parcela essencial da precificação da energia elétrica, uma vez que representa um indicador de preços que incorpora tanto as perdas quanto eventuais congestionamentos verificados nas linhas de transmissão. Por conseguinte, no panorama mercadológico vigente, torna-se indispensável a condução de estudos acerca do impacto da progressiva penetração das plantas de geração eólica e dos sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência sob a perspectiva dos principais parâmetros financeiros que regem os mercados elétricos, considerando, para tal desígnio, as peculiaridades concernentes à modelagem da geração eólica e dos esquemas de armazenamento de energia na formulação do problema que objetiva o cômputo e a decomposição dos LMPs associados às barras de um SEP. Diante de algumas limitações inerentes aos convencionais métodos de otimização determinísticos e da progressiva evolução da capacidade computacional verificada nos últimos anos, muitos aspectos da análise dos SEPs podem migrar convenientemente das metodologias baseadas na referida modelagem matemática determinística formal para as estratégias fundamentadas nas técnicas de IA, as quais podem ser apropriadamente aplicadas no contexto de estudos dos aspectos de mercados elétricos previamente mencionados.. 1.2. Formulação do problema Os LMPs consistem em parâmetros financeiros de grande relevância para os. modelos mercadológicos reformados que regem os sistemas de energia elétrica vigentes, uma vez que têm sido amplamente empregados na implementação de soluções para problemas referentes à precificação da transmissão de eletricidade, ao estabelecimento de transações de energia elétrica e à elaboração de esquemas de gerenciamento de congestionamento nas redes de transmissão, as quais têm testemunhado a progressiva e iminente penetração de plantas de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia. No entanto, algumas questões precisam ser respondidas: Qual o impacto da inserção da geração eólica e dos sistemas de armazenamento de energia na magnitude dos LMPs e de suas respectivas componentes associadas às barras de um SEP? Quais os reflexos das alterações impostas à modelagem do problema formulado para o cômputo dos 2.

(22) LMPs de um SEP em virtude da penetração da geração eólica e dos sistemas de armazenamento de energia? Qual a validade das soluções obtidas através da metodologia baseada em técnicas de inteligência artificial proposta e implementada?. 1.3. Objetivos. 1.3.1. Objetivo geral . Contribuir com o desenvolvimento de metodologias de análise de mercados elétricos.. 1.3.2. Objetivos específicos . Analisar o impacto da penetração de plantas de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência sob a perspectiva dos parâmetros que regem os mercados elétricos.. . Formular o modelo do problema de FPO que constitui o esteio sobre o qual se fundamenta a aquisição e a decomposição dos LMPs associados às barras de um SEP integrado por geração eólica e por sistemas de armazenamento de energia.. . Desenvolver uma metodologia genérica baseada em técnicas de inteligência artificial para computar e decompor os LMPs de um SEP com amparo no modelo de FPO formulado.. . 1.4. Aplicar a metodologia proposta na análise de sistemas-testes.. Justificativa A gradual e inevitável penetração da geração eólica e dos sistemas de. armazenamento de energia nas redes elétricas de potência de diversos países representa uma inevitável mudança do paradigma no qual as deliberações e constatações 3.

(23) mercadológicas se fundamentam, impactando na valoração de parâmetros imprescindíveis às apurações de mercado, como os LMPs associados às barras de um SEP. A compreensão satisfatória do impacto da incorporação dos sistemas de geração eólica no comportamento da magnitude dos LMPs associados às barras de um SEP é somente possível por intermédio da correta assimilação e entendimento de importantes aspectos e exigências, como a modelagem adequada da intermitência característica do perfil comportamental dos ventos, a utilização dos modelos apropriados de turbinas eólicas, a correta incorporação das flutuações relativas à geração eólica nas restrições e/ou funções objetivos das estratégias de FPO adotadas, a adequada representação dos custos de produção das plantas eólicas levando em consideração aspectos como a natureza da propriedade de tais plantas em relação ao operador do sistema, etc. Já a apuração dos reflexos da inserção dos sistemas de armazenamento de energia deve ser conduzida fora dos limites das tradicionais práticas de FPO de período único, em virtude do acentuado acoplamento entre os níveis operativos dos esquemas de armazenamento de energia observado ao longo dos intervalos constituintes do horizonte temporal total de um problema em análise, o que demanda a implementação de estratégias de resolução de um FPO multiperíodo. Por conseguinte, este trabalho pretende contribuir com a elaboração de uma metodologia baseada em técnicas de inteligência artificial com o intuito de analisar os reflexos da penetração de plantas de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência sob a perspectiva da amplitude dos LMPs e de suas respectivas componentes, modelando-se de forma apropriada a volatilidade e intermitência inerentes à penetração da geração eólica nas redes de potência e incorporando-se satisfatoriamente. as. peculiaridades. concernentes. à. inserção. dos. sistemas. de. armazenamento de energia nos SEPs. Ademais, a metodologia proposta é deduzida e implementada de forma a evitar as inconveniências, a carência de clareza e as restrições associadas à aquisição e decomposição dos referidos LMPs em alguns modelos de mercado.. 1.5. Metodologia A elaboração deste trabalho foi conduzida com base na metodologia da pesquisa. científica. 4.

(24) Inicialmente foi executada uma pesquisa bibliográfica acerca do contexto vigente dos mercados elétricos competitivos, a respeito das particularidades dos modelos mercadológicos adotados no setor elétrico ao longo da história e sobre o estado da arte do setor da geração eólica e do segmento dos sistemas de armazenamento de energia. Em seguida, foi apresentada e explanada a formulação do modelo de FPO pertinente à circunstância na qual considera-se a penetração de plantas de geração eólica e de sistemas de armazenamento de energia na topologia de um SEP, expondo-se, adequadamente, os artifícios e procedimentos matemáticos aplicados no cômputo e na decomposição dos LMPs associados às barras do referido SEP no modelo de otimização proposto, considerando-se adequadamente as peculiaridades inerentes à modelagem dos custos operativos e das restrições que caracterizam a geração eólica e os sistemas de armazenamento de energia. Subsequentemente, foi elaborada uma metodologia genérica fundamentada em técnicas de inteligência artificial com o desígnio de calcular e decompor os LMPs das barras de um SEP integrado por plantas de geração eólica e por sistemas de armazenamento de energia, respaldando-se, para tal intento, no modelo de FPO previamente formulado. Finalmente, a metodologia genérica proposta foi apropriadamente implementada com base em algoritmos PSO, sendo ulteriormente aplicada em sistemas-testes devidamente selecionados e especificados, obtendo-se soluções que são adequadamente validadas mediante análises comparativas conduzidas com respaldo nos resultados provenientes de ferramentas computacionais academicamente consolidadas e por intermédio da verificação das condições que emergem da análise puramente matemática do modelo de FPO proposto.. 1.6. Estrutura do trabalho O presente trabalho é organizado conforme a estruturação exposta na sequência: O panorama geral vigente do setor elétrico, os aspectos concernentes aos diferentes. modelos de mercado implementados e adotados ao longo dos anos na indústria da eletricidade, bem como o conjunto de processos relativos às reformas que incidiram no. 5.

(25) setor elétrico de diversos países, são apresentados e convenientemente descritos no Capítulo 2. No Capítulo 3, são apresentados o contexto corrente, as principais tecnologias empregadas nos arranjos operativos e os preceitos que regem o funcionamento das plantas de geração eólica e dos sistemas de armazenamento de energia. Os principais aspectos introdutórios acerca dos LMPs, as generalidades pertinentes ao problema do FPO, a modelagem das restrições e dos custos referentes à operação das plantas eólicas e dos sistemas de armazenamento de energia, a formulação do modelo de FPO considerando a penetração da geração eólica e dos sistemas de armazenamento de energia em um SEP, e os aspectos relativos ao cálculo e decomposição dos LMPs de tal SEP respaldando-se no modelo de FPO formulado são adequadamente expostos no Capítulo 3. No Capítulo 4, são apresentadas uma sucinta contextualização acerca do âmbito das técnicas de IA e a formulação da metodologia IA genérica empregada no cálculo e na decomposição dos LMPs com base no modelo de FPO formulado, aplicando-se, ainda, a implementação de tal metodologia com base em algoritmos PSO na determinação e decomposição dos LMPs associados às barras de sistemas-testes devidamente selecionados e especificados, evidenciado as implicações mercadológicas da penetração da geração eólica e dos sistemas de armazenamento de energia nas redes elétricas de potência. Finalmente, no Capítulo 5, são exprimidas as conclusões referentes às pesquisas e às inovações constituintes do presente trabalho, descrevendo-se, ainda, os principais aspectos concernentes a possíveis trabalhos futuros.. 6.

(26) Capítulo 2. Mercados elétricos Durante parcela majoritária do século XX, no âmbito geral dos mercados elétricos, quando eventuais consumidores almejavam comprar energia elétrica, eles não gozavam das prerrogativas de um vasto leque de opções, eram compelidos a comprá-la de concessionárias que detinham o monopólio do suprimento de eletricidade na área em que tais consumidores situavam-se. Algumas das referidas concessionárias eram qualificadas como verticalmente integradas, o que significa que elas produziam a energia elétrica, transmitiam-na das plantas de potência aos centros de carga e, também, distribuíam-na aos consumidores finais. Independente da natureza das propriedades e dos níveis de integração vertical de tais concessionárias, os monopólios geográficos representavam a regra prevalecente [2]. Em meados da década de 1980, alguns economistas alegavam que o modelo anteriormente descrito já tinha concedido suas notáveis contribuições e estava exaurido. Eles argumentavam que a condição monopolista das concessionárias de energia elétrica inibia a eficiência operativa e estimulava a realização de investimentos irresponsáveis. Também afirmavam que os custos provenientes dos equívocos das companhias privadas não deveriam ser repassados aos consumidores finais. Ademais, concessionárias públicas ostentavam níveis muito profundos de vínculos com os governos, o que, por conseguinte, poderia implicar em decisões econômicas tortuosas. Algumas concessionárias públicas eram consideradas vertedouros de capital para usos escusos. Já outras eram impedidas de estabelecer taxações condizentes com seus custos ou eram desprovidas do capital necessário para investimentos cruciais [2]. Nesse contexto, emergem as tendências reformistas no âmbito da indústria da eletricidade, alicerçadas, essencialmente, na restruturação funcional e organizacional do setor, no livre acesso às redes de transporte (transmissão e distribuição) de energia elétrica e na desregulamentação conduzida com base na satisfação de uma série de condições de forma a moldar o ambiente apropriado para o estabelecimento da competição em alguns segmentos da referida indústria, como, em geral, verifica-se no setor da geração e nos campos concernentes às funções comerciais atacadistas e varejistas [3]. A competição mencionada mostrou-se capaz de estimular a minimização de custos, reduzir os preços, disponibilizar serviços em um patamar de 7.

(27) confiabilidade apropriado e possibilitar a implementação de taxas razoavelmente previsíveis [3], [4].. 2.1. O setor elétrico Todas as tônicas, aspectos e singularidades concernentes ao setor elétrico são. indissoluvelmente associadas à indústria da eletricidade. Usualmente, o termo indústria é empregado para denotar as atividades cujo propósito primordial consiste na manipulação de matérias-primas para a fabricação de bens de consumo. Todavia, no caso específico da indústria da eletricidade, o bem gerado é a energia elétrica, a qual corresponde a uma commodity intangível que não pode ser armazenada diretamente e é transportada na velocidade da luz através de um intrincado arranjo de redes transmissoras e distribuidoras, sendo regida por complexas leis físicas intrínsecas a tal commodity [3]. Sob uma perspectiva meramente física, a indústria da energia elétrica é fundamentalmente constituída pelas plantas de geração, pelos sistemas de transmissão e pelas redes de distribuição. Já sob uma perspectiva essencialmente regulatória, a indústria da energia elétrica é composta por agentes independentes que geram, transportam (transmitem ou distribuem) ou comercializam a energia elétrica. É importante frisar que os fluxos financeiros são diferentes dos fluxos energéticos físicos, o que decorre do fato de que não é possível que uma carga seja suprida com a energia advinda diretamente de um único gerador, mas de todos os geradores simultaneamente [5]. Incitados pelo contexto de desregulamentação geral verificado na década de 1990, os mercados elétricos de diversos países passaram a enveredar em direção à restruturação e à abdicação das intervenções regulatórias que regiam tais mercados [4]. A visão prevalecente foi a de que a livre concorrência deveria predominar em todos os segmentos possíveis, atribuindo ao Estado o ofício de impor regulação aos segmentos que exigissem tal intervenção. Dessa forma, os setores da geração e da comercialização foram configurados como segmentos competitivos, em virtude da existência de diversos agentes e do fato de a energia elétrica ser, assim como uma commodity, um produto homogêneo. No entanto, os segmentos da transmissão e da distribuição foram concebidos como monopólios naturais, visto que as estruturas físicas requeridas por tais segmentos inviabilizam economicamente o estabelecimento de um regime de competição entre dois 8.

(28) ou mais agentes em uma determinada área de concessão. Em tais setores, prepondera o modelo de regulação por incentivos ou regulação de preços [5]. A geração consiste no segmento da indústria de eletricidade incumbida de gerar a energia elétrica e introduzi-la nos sistemas de transporte de forma a suprir satisfatoriamente os consumidores. É justamente da inserção da competição no setor de suprimento de eletricidade que provém a maioria dos benefícios a longo prazo da reforma do setor elétrico [3]. A transmissão corresponde à esfera da indústria de eletricidade responsável pelo transporte de grandes montantes de energia elétrica oriundos das plantas geradoras, de forma a suprir os sistemas de distribuição. Os aprimoramentos tecnológicos associados aos componentes das redes de transmissão, mais do que os próprios avanços verificados no segmento da geração, foram os grandes responsáveis pelo esmorecimento do caráter monopolista da maioria dos mercados elétricos atacadistas do mundo [4]. Já o segmento da distribuição é encarregado de absorver os grandes montantes energéticos provenientes dos sistemas de transmissão e distribuí-los apropriadamente para consumidores de médio e pequeno porte. Vale ressaltar que existem plantas de geração de porte relativamente pequeno, geralmente detentoras de potência instalada menor que 30 MW, que fornecem energia elétrica diretamente às redes das companhias de distribuição. Atualmente, com a viabilização e a consequente difusão dos sistemas de geração de eletricidade respaldados em fontes renováveis (vento, radiação solar, biomassa, etc), a operação dos sistemas de energia elétrica depara-se com um novo paradigma, o qual recorrentemente recebe a alcunha de geração distribuída (GD). Diante da gradual descentralização da geração de energia elétrica verificada em diversas nações do mundo, as redes de distribuição passam a exibir considerável protagonismo na operação dos sistemas elétricos de potência, atuando na compensação das implicações da intermitência inerente às fontes energéticas das GDs e aprimorando a qualidade do suprimento de eletricidade [5]. No Brasil, contrariamente ao verificado no segmento da geração, o setor de transporte (transmissão e distribuição) de energia elétrica tem seus preços regulados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a qual corresponde à agência reguladora do referido setor no âmbito nacional. Por conseguinte, as companhias de transmissão e distribuição não possuem liberdade para estabelecer os preços que ambicionam, estando, dessa forma, submissas às deliberações dos contratos de concessão, que, geralmente,. 9.

(29) apresentam artifícios que efetuam regularmente reajustes e revisões, sendo relegado à própria agência reguladora a execução de tais contratos [5]. A comercialização da energia elétrica representa o segmento da indústria da eletricidade que se fundamenta nas operações mercadológicas varejistas e atacadistas. O varejo refere-se às transações com os consumidores finais e engloba um conjunto de funções comerciais, como a precificação, a venda, a medição e a taxação da energia elétrica. Até meados da década de 1990, a função varejista sempre foi vinculada ao segmento da distribuição. Já as operações atacadistas geralmente envolvem vendas não diretamente relacionadas aos consumidores finais. Perante a escalada das transações verificada na esfera dos mercados elétricos, a atividade de varredura do mercado atacadista de potência torna-se progressivamente mais relevante [3].. 2.2. Modelos de mercados elétricos Apresentam-se quatro modelos para mapear a evolução da indústria da eletricidade. desde o monopólio regulado ao regime de competição integral. Tais modelos, extraídos de [2], são apropriadamente descritos na sequência. O modelo introdutório consiste nas concessionárias regidas pelo monopólio tradicional, o qual é devidamente ilustrado na Figura 2.1. Em tal ilustração tem-se o submodelo (a), o qual corresponde à condição em que a concessionária abrange as atividades de geração, transmissão e distribuição da energia elétrica. Já no submodelo (b), a geração e a transmissão são geridas por uma concessionária, a qual vende energia para as companhias de distribuição monopolistas locais. O modelo em questão não impede a execução de trocas bilaterais de energia entre concessionárias operando em áreas geográficas distintas. Conforme evidenciado na Figura 2.1, essas transações são efetuadas em nível de atacado.. 10.

(30) Figura 2.1: Modelo monopolista de mercados de eletricidade. No submodelo (a), a concessionária verticalmente integrada em sua plenitude. Já no submodelo (b), as atividades de distribuição são geridas por uma ou mais companhias desvinculadas [2].. Um possível passo precursor em direção à inserção da competição na indústria do suprimento de eletricidade é ilustrado na Figura 2.2, na qual introduz-se a figura da agência de compra. As companhias integradas não mais detinham a capacidade de geração de forma integral. Nesse cenário, produtores independentes de potência (PIP) são integrados à rede e vendem sua energia produzida para a concessionária que age como um agente de compra. Uma evolução desse modelo é ilustrada na Figura 2.2(b), em que a concessionária não possui mais qualquer capacidade de geração e adquire toda sua energia elétrica dos PIPs. Em tal modelo, as atividades de distribuição e varejo também são desvinculadas. As companhias de distribuição (CD), por conseguinte, compram a eletricidade demandada por seus consumidores da agência de compra atacadista. A taxação estabelecida pela agência de compra precisa ser regulada, uma vez que esta detém o monopólio de fornecer potência para as concessionárias de distribuição e representam o único comprador para os PIPs. Todavia, esse modelo não resultou no estabelecimento de preços que refletissem apropriadamente os custos em comparação ao observado em um mercado livre. No entanto, tal modelo expõe a vantagem de introduzir algum nível de 11.

(31) competição entre companhias de geração sem os dispêndios concernentes ao estabelecimento de um mercado competitivo aos moldes de modelos mais complexos.. Figura 2.2: Modelo de mercado de eletricidade respaldado na agência de compra. O submodelo (a) ostenta integração. Já o submodelo (b) exibe um nível de desvinculação [2].. A Figura 2.3 da sequência destrincha o modelo baseado na competição atacadista, no qual nenhuma organização central é responsável pelo suprimento de eletricidade. Em vez disso, as concessionárias de distribuição compram a energia elétrica demandada por seus consumidores diretamente das companhias de geração (CG). Tais transações são conduzidas em um mercado atacadista de eletricidade. Recorrentemente, grandes consumidores são autorizados a comprar energia elétrica diretamente no referido mercado atacadista de eletricidade. Tal mercado pode assumir a forma de transações bilaterais ou de uma pool. Sob a perspectiva do nível atacadista, as únicas funções que permanecerão centralizadas são as operações da rede de transmissão e do mercado spot. Já do nível varejista, o sistema ainda exibe centralização, pois cada concessionária de distribuição não apenas opera a rede de distribuição em sua respectiva área, mas também compra energia elétrica objetivando a satisfação da demanda dos consumidores localizados na sua zona de atuação.. 12.

(32) Figura 2.3: Modelo de competição atacadista aplicado aos mercados de eletricidade [2].. O modelo descrito suscita um nível de competitividade expressivo para as companhias geradoras em virtude dos preços no atacado serem regidos pela interação entre a demanda e o suprimento de potência. Contrariamente, o preço no varejo da energia elétrica ainda precisa ser sujeito à regulação, uma vez que consumidores de pequeno porte não podem optar por uma fornecedora operando em regime competitivo se eles considerarem o preço muito elevado. Essa condição deixa as concessionárias de distribuição vulneráveis a grandes e súbitos incrementos no preço da energia no atacado. Já o modelo respaldado na chamada competição no varejo corresponde à mais moderna categoria de mercados elétricos competitivos, no qual, essencialmente, todos os consumidores têm a prerrogativa de selecionar seus fornecedores de energia elétrica, conforme ilustrado na Figura 2.4. Em razão dos custos referentes às transações, apenas os grandes consumidores optam por comprar energia elétrica diretamente do mercado atacadista. A maioria dos médios e pequenos consumidores compra eletricidade dos varejistas, os quais, reiteradamente, compram energia no mercado atacadista. No modelo em questão, usualmente, as atividades de rede das concessionárias de distribuição são desagregadas das suas atividades de varejo, pois tais companhias não detêm mais o monopólio local do suprimento de eletricidade nas áreas abrangidas por suas redes. Dessa forma, neste modelo, as únicas funções monopolistas remanescentes são a operação e o suprimento das redes de distribuição e transmissão. 13.

(33) Figura 2.4: Modelo de competição varejista aplicado aos mercados de eletricidade [2].. Caso. mercados. suficientemente. competitivos. tenham. se. estabelecido. adequadamente, o preço da eletricidade no varejo não precisa mais ser submetido à regulação porque os pequenos consumidores têm, agora, a opção de mudar de varejista supridor diante de melhores ofertas de preços. Da perspectiva econômica, o modelo previamente descrito trata-se do mais apropriado uma vez que os preços da energia elétrica são definidos via interações mercadológicas. Contudo, a implementação deste modelo exige consideráveis esforços e investimentos concernentes ao processamento de dados, comunicação e sistemas de medição. Os custos inerentes às redes de transmissão e distribuição ainda são transferidos para todos os consumidores. Esse processo é conduzido através de controles regulatórios, pois tais redes ainda consistem em monopólios.. 14.

(34) 2.3. Reforma do setor elétrico A linha evolutiva geral dos mercados elétricos verificada na maioria dos países do. mundo e a metamorfose da inerente incidência regulatória associada a tal evolução, já foram compreensivelmente apresentadas na subseção 2.2. Conforme previamente descrito, as tendências reformistas, verificadas na indústria da eletricidade de diversos países desde meados da década de 1990, respaldam-se na restruturação funcional e organizacional do setor, no livre acesso às redes de transporte de energia elétrica e na renúncia às interferências regulatórias nos setores da geração e da comercialização.. 2.3.1. Desregulamentação Dois princípios abrangentes e fundamentais justificam a incidência de regulação. governamental sobre o setor das concessionárias de energia elétrica. O primeiro estabelece que, uma vez que tais companhias fornecem serviços essenciais para o bem-estar social, elas são consideradas indústrias afetadas pelo interesse público. Ademais, os inerentes aspectos econômicos e tecnológicos concernentes às entidades associadas ao setor elétrico moldam uma circunstância na qual uma única companhia provedora é, em geral, capaz de suprir toda a demanda mediante o oferecimento de custos mais reduzidos do que seria capaz de ofertar qualquer combinação de companhias menores. Sob tais condições, a competição não é capaz de vingar e, naturalmente, grupos resistirão e outras sucumbirão ao mercado. As companhias sobreviventes são denominadas monopólios naturais, e, como tais, detêm o arbítrio de restringir seus produtos e de estabelecer preços em níveis economicamente injustificáveis. Fundamentando-se nas condições previamente expostas, a regulação governamental se configura como um mecanismo intervencionista indispensável para a obtenção de benefícios públicos que o fluxo espontâneo de determinados mercados não seria capaz de conseguir [6]. Em conformidade com o anteriormente explanado, a regulação tem o propósito de proteger o interesse público, o qual é integrado por inúmeros elementos. Presume-se que uma concessionária seja capaz de fornecer determinado serviço para qualquer usuário que eventualmente solicite e possa pagar pela provisão de tal serviço submetido aos preços 15.

(35) autorizados pelo regulador, o que, nesse sentido, define um serviço considerado universal. Em geral, quando uma companhia registra despesas demasiadas no fornecimento de determinado serviço, ela é, de alguma maneira, subsidiada por outros contribuintes e consumidores. Os reguladores podem, ainda, impor responsabilidades ambientais e de segurança às companhias de forma a satisfazer os interesses públicos [6]. Uma vez que, como desdobramento direto do estabelecimento de um monopólio natural, a maior parcela dos consumidores das concessionárias de energia elétrica não podem efetuar compras entre inúmeros provedores, analogamente ao verificado no modelo de aquisição mercadologicamente tradicional (como o verificado em shoppings centers, supermercados, etc.), a regulação tem a função de asseverar que o serviço seja fornecido apropriadamente, que as companhias atendam satisfatoriamente as necessidades dos consumidores, e que fatores associados às questões de taxação sejam responsavelmente gerenciadas. Adicionalmente, concessionárias recorrentemente são empregadas como um meio através do qual os reguladores enviam informações consideradas imprescindíveis para os consumidores. Por conseguinte, conceder às concessionárias um papel crucial no âmbito econômico e no equilíbrio do bem-estar geral da sociedade, significa, frequentemente, a imposição de padrões de confiabilidade aos serviços prestados [6]. A inserção da competição na indústria da eletricidade geralmente abrange os segmentos da geração e da comercialização, os quais, por conseguinte, consistem nas funções recorrentemente submetidas à desregulamentação. Todavia, o setor de transporte (transmissão e distribuição) de energia elétrica, em geral, não é sujeito aos dogmas da competição, permanecendo, dessa forma, configurado como monopólio natural em grande parte dos mercados elétricos.. 2.3.2. Livre acesso às redes de transporte de energia elétrica A competição no setor da geração exige acesso livre às redes de distribuição e de. transmissão por parte de qualquer eventual participante que almeje integrá-las, sem discriminação nos custos decorrentes e na oportunidade de acesso. Para que a condição de livre acesso às redes transcorra apropriadamente, é necessária uma coordenação em tempo real entre a geração e a transmissão. Nas obsoletas companhias verticalmente integradas, essa coordenação era conduzida internamente pelas próprias concessionárias. Já nos 16.

(36) ambientes regidos pela competição, novos arranjos de transações são necessários para assegurar a referida coordenação em tempo real. Adicionalmente, para o modelo de acesso mencionado, também é necessário o modelo de negócios da transmissão, o qual designam arranjos para controle da transmissão a longo prazo, indicando os responsáveis pelo planejamento e construção no ambiente de competição, quais são os preços corretos e a resolução de impasses referentes a comportamentos discriminatórios. Em alguns mercados desregulamentados, concede-se aos consumidores a oportunidade de escolher seus supridores. Nesse contexto, o chamado acesso ao varejo refere-se à capacidade dos supridores de alcançar os consumidores nas redes de distribuição. No entanto, é importante ressaltar que apenas estabelecendo a desregulamentação na indústria da eletricidade e promovendo o livre acesso às redes de transporte de energia elétrica não são suficientes para garantir a existência de um mercado elétrico competitivo. Dessa forma, para que tal ambiente de competitividade seja satisfatoriamente alcançado, um conjunto de condições precisa ser devidamente atendido, entre as quais, destacam-se: planos de estabelecimento de preços que submetam os consumidores aos preços spot, medição de grande parcela do consumo com regularidade adequada, facilitação do ingresso de participantes no segmento da geração, etc. [3].. 2.3.3. Reestruturação organizacional A restruturação concerne às mudanças das configurações organizacionais e. funcionais associadas à indústria da eletricidade, como a separação, a fusão ou a criação de novas entidades e companhias. Tal restruturação tem o propósito de evitar a adoção de medidas discriminatórias que podem emergir diante da natureza das propriedades do novo cenário, consolidar os sistemas de transmissão através de amplas áreas geográficas e estimular a criação de novos competidores. Todavia, a referida separação funcional implica na perda da economia inerente ao arranjo dos monopólios verticalmente integrados. A partilha das propriedades físicas e financeiras entre as novas companhias oriundas das divisões representa uma das questões mais cruciais no referido processo de restruturação [3].. 17.